Netwerkanalyse 2: wisselstroomschakelingen: samenvattingspakket

Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 16 oefenopgaven, met volledige oplossingen achterin.

Nieuwe opgavenTerug naar het vak

Kies in het printvenster “Opslaan als pdf” om een kopie op je apparaat te bewaren.

1Formules en methoden

Complexe getallen

Rechthoekige vorm
z = a + jb, j² = −1, z̄ = a − jb
Modulus en argument
|z| = √(a² + b²), tan θ = b/a (check the quadrant)
Poolvorm en exponentiële vorm
z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ
Deling
z₁/z₂ = z₁z̄₂/|z₂|²
Product en quotiënt
r₁∠θ₁ · r₂∠θ₂ = r₁r₂∠(θ₁ + θ₂), r₁∠θ₁ / r₂∠θ₂ = (r₁/r₂)∠(θ₁ − θ₂)
De Moivre
(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ
n-de machtswortels
zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0 … n − 1
Kwadratische vergelijking met p² < 4q
z = −p/2 ± j√(q − p²/4)

Methode

  1. Bepaal welke vorm bij de bewerking past: rechthoekig a + jb voor optellen en aftrekken, pool r∠θ voor vermenigvuldigen, delen, machten en wortels.
  2. Werk uit met j² = −1; deel door teller en noemer te vermenigvuldigen met de geconjugeerde van de noemer.
  3. Reken om met r = √(a² + b²) en θ uit een schets van het punt (controleer het kwadrant), en terug met a = r cos θ, b = r sin θ.
  4. Gebruik voor machten De Moivre, (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ; noteer voor zⁿ = R∠φ alle n wortels R1/n∠((φ + 360°k)/n).

Wisselstroomimpedantie en fasoren

Impedanties
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Hoekfrequentie
ω = 2πf
Modulus en hoek
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Wet van Ohm met fasoren
V = I·Z

Methode

  1. Reken de frequentie om: ω = 2πf.
  2. Bereken elke reactantie: XL = ωL en XC = 1/(ωC).
  3. Tel impedanties op zoals weerstanden, met Z = R + jX.
  4. Bereken de grootte |Z| = √(R² + X²) en de hoek φ = atan(X/R), en gebruik daarna de wet van Ohm met fasoren.

Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Werkelijk vermogen
P = V·I·cos φ
Blindvermogen
Q = V·I·sin φ
Schijnbaar vermogen
S = V·I = √(P² + Q²)
Arbeidsfactor
pf = cos φ = P/S
Compensatiecondensator
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Eigenfrequentie
ω0 = 1/√(LC), f0 = 1/(2π√(LC))
Energie
W = ½CV0² = ½Cv² + ½Li²
Piekstroom
Imax = V0√(C/L)
Kwaliteitsfactor
Q = 2π·(energy stored)/(energy lost per cycle)
Serie-RLC
Q = (1/R)√(L/C), BW = R/(2πL)
Parallel-RLC
Q = R√(C/L), BW = 1/(2πRC)
Bandbreedte
BW = f2 − f1 = f0/Q, f0 = √(f1f2)
Halfvermogensfrequenties
f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q))
Tank met spoelweerstand r
RD = L/(C·r) = Q²·r
Afname van de amplitude
e−Rt/(2L)

Methode

  1. Zoek eerst de resonantiefrequentie: ω₀ = 1/√(LC) en f₀ = ω₀/(2π).
  2. Bepaal of de schakeling serie of parallel is: serie Q = (1/R)√(L/C), parallel Q = R√(C/L).
  3. Gebruik BW = f₀/Q voor de bandbreedte, of de snelle formules R/(2πL) (serie) en 1/(2πRC) (parallel).
  4. Gebruik bij energievragen dat de totale energie ½CV₀² in een ideale LC-schakeling constant blijft en elke kwartperiode heen en weer gaat tussen C en L.

Draaistroomvermogen

Sterschakeling (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Driehoekschakeling (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Totaal werkelijk vermogen
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Schijnbaar vermogen en blindvermogen
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Compensatiecondensatoren
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Spanning over elke condensator
Δ: VL Y: VL/√3
Opgenomen motorvermogen
Pin = Pout/η

RC- en RL-schakelverschijnselen

Tijdconstante
τ = RC | τ = L/R
Respons
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Condensator bij gelijkstroom
open klemmen; vC kan niet verspringen
Spoel bij gelijkstroom
kortsluiting; iL kan niet verspringen
Eindtoestand
t ≈ 5τ

Methode

  1. Bepaal de beginwaarde vlak na het schakelen: een condensatorspanning en een spoelstroom kunnen niet verspringen.
  2. Bepaal de eindwaarde lang na het schakelen: een condensator gedraagt zich als een open keten, een spoel als een kortsluiting.
  3. Bepaal de tijdconstante: τ = RC of τ = L/R, met de weerstand die de condensator of spoel ziet.
  4. Gebruik x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Thévenin en Norton

Thévenin-spanning
Vth = Vopen circuit
Thévenin-weerstand
Rth: alle bronnen uit, gezien vanaf a–b
Norton-stroom
IN = Vth/Rth
Belastingsstroom
IL = Vth/(Rth + RL)
Maximale vermogensoverdracht
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Methode

  1. Haal de belasting weg en markeer de twee klemmen a en b.
  2. Bepaal de openklemspanning tussen a en b: dit is Vth.
  3. Schakel alle onafhankelijke bronnen uit en bepaal de weerstand gezien vanaf a–b: dit is Rth.
  4. Zet de belasting terug op het vervangingsschema: Vth in serie met Rth.
  5. Reken voor het Norton-equivalent om: IN = Vth/Rth, met RN = Rth parallel.

2Oefenopgaven

1.Complexe getallenGemiddeld
ReIm55−5−5θz

Schrijf z = 8∠110° in rechthoekige vorm a + jb en geef het reële deel a.

r = 8θ = 110°
a =
2.Complexe getallenMoeilijk
ReIm22−2−244−4−4ABCD

Precies één van de punten A–D is een wortel van z⁶ = 64∠120°. Klik erop.

w = 64∠120°n = 6
  1. 1A (2∠120°)
  2. 2B (2∠−10°)
  3. 3C (2∠−40°)
  4. 4D (3,6∠−10°)
3.Wisselstroomimpedantie en fasorenGemiddeld
Vf0​ = 100 HzRL = 50 mHC = ?

Een serie-RLC-schakeling met L = 50 mH moet resoneren bij 100 Hz. Vind de benodigde capaciteit C.

f0 = 100 HzL = 50 mH
C = µF
4.Wisselstroomimpedantie en fasorenMoeilijk
5 Vf0​R = 20 ΩL = 20 mHC = 1 µF

Een serie-RLC-schakeling wordt gevoed door een bron van 5 V (rms) waarvan de frequentie is ingesteld op de resonantiefrequentie van de schakeling. Vind de effectieve spanning VL over de spoel.

V = 5 V (rms)R = 20 ΩL = 20 mHC = 1 µF
VL = V
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
P = 30 kWQ = ?Sφ

Een eenfasige motor neemt 30 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,6 uit een voeding van 230 V. Vind het blindvermogen Q dat hij opneemt.

P = 30 kWpf = 0,6V = 230 V
Q = kvar
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
P = 5 kWQ1​S1​φ1​QC​

Een eenfasige belasting neemt 5 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,7 uit een voeding van 230 V, 50 Hz. Een parallel geschakelde condensator verhoogt de arbeidsfactor tot 0,95. Vind de benodigde capaciteit C.

P = 5 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95V = 230 Vf = 50 Hz
C = µF
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteGemiddeld
C = 1 nF+−2 VL = 47 µHiL​

Een condensator van 1 nF, opgeladen tot 10 V, oscilleert met een ideale spoel van 47 µH. Bepaal de energie WL die in de spoel is opgeslagen op het moment dat de condensatorspanning 2 V is, in nJ.

C = 1 nFV0 = 10 VvC = 2 V
WL = nJ
8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteMoeilijk
C = 4,7 nFR = 2 ΩL = 100 µH

Een opgeladen condensator van 4,7 nF ontlaadt over een spoel van 100 µH met een totale serieweerstand van 2 Ω, zodat de oscillatie langzaam uitdooft. De amplitude neemt af als e−Rt/(2L). Hoeveel perioden n verstrijken voordat de amplitude is gehalveerd? (De verliezen zijn klein, dus de frequentie is f₀.)

L = 100 µHC = 4,7 nFR = 2 Ω
n =
9.DraaistroomvermogenGemiddeld
ABCVL​ = 415 VZ = 5 + j12 Ωper fase

Een symmetrische, in driehoek geschakelde belasting met een impedantie van 5 + j12 Ω per fase is aangesloten op een symmetrisch draaistroomnet met een lijnspanning van 415 V. Vind het totale werkelijk vermogen P dat de belasting opneemt, in kW.

VL = 415 VZ = 5 + j12 Ω per fase
P = kW
10.DraaistroomvermogenMoeilijk
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​

Een symmetrische driefasige belasting neemt 60 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,7 uit een net van 400 V (lijnspanning), 50 Hz. Een driefasige condensatorbank parallel aan de belasting moet de totale arbeidsfactor verhogen tot 0,98 inductief. Het werkelijk vermogen blijft gelijk. De condensatoren zijn in ster geschakeld. Vind de capaciteit Cph van elke condensator in µF.

P = 60 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.RC- en RL-schakelverschijnselenGemiddeld
+−Vs​15 Vt = 0R = 47 ΩL47 mHi(t)

De spoel voert geen stroom voordat de schakelaar op t = 0 sluit. Vind de spanning vL over de spoel op t = 1 ms.

Vs = 15 VR = 47 ΩL = 47 mHt = 1 ms
vL = V
12.RC- en RL-schakelverschijnselenMoeilijk
+−Vs​5 Vt = 0R = ?C10 µF+−vC​

Een timer begint op t = 0 een ongeladen condensator via een weerstand op te laden uit een voeding van 5 V. Hij moet schakelen als de condensatorspanning 3 V bereikt, precies 250 ms na de start. Vind met C = 10 µF de benodigde weerstand R.

Vs = 5 VVth = 3 VT = 250 msC = 10 µF
R = kΩ
13.Thévenin en NortonGemiddeld
R1​ = 15 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩAab

Vind de Thévenin-spanning Vth gezien vanaf de klemmen a–b.

V1 = 9 VR1 = 15 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 Ω
Vth = V
14.Thévenin en NortonMoeilijk
R1​ = 25 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​12 ΩAIs​1,5 ABRL​30 ΩIL​

Een belasting RL = 30 Ω is aangesloten over a–b. Vervang de rest van de schakeling door het Thévenin-equivalent en vind de belastingsstroom IL.

V1 = 18 VIs = 1,5 AR1 = 25 ΩR2 = 12 ΩR3 = 15 ΩRL = 30 Ω
IL = A
15.Bodediagrammen en margesGemiddeld
vin​C = 4,7 nFR = 2,2 kΩvout​

Het getoonde RC-hoogdoorlaatfilter heeft R = 2,2 kΩ, C = 4,7 nF. Er wordt een sinusvormige ingang van 31 kHz aangelegd. Bepaal de versterking |H| = |vout/vin| in dB.

R = 2,2 kΩC = 4,7 nFf = 31 kHz
|H| = dB
16.Bodediagrammen en margesMoeilijk
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Een lus met eenheidsterugkoppeling heeft de open-lus-overdrachtsfunctie L(s) = K/(s(s + 4)(s + 9)). Bepaal de versterking K die een versterkingsmarge van 3 dB geeft.

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 9))GM = 3 dB
K =

3Oplossingen

1.Complexe getallen

Antwoord: a = −2,736

Poolvorm: z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ, met r = |z| en θ = arg z. Terug naar de rechthoekige vorm: a = r cos θ, b = r sin θ. Voor het argument is het kwadrant nodig: θ = atan(b/a) alleen als a > 0; voor a < 0 tel je 180° op of trek je 180° af. In poolvorm is vermenigvuldigen eenvoudig: vermenigvuldig de moduli en tel de argumenten op; bij delen deel je de moduli en trek je de argumenten af.

Componenten

a = 8·cos(110°) = −2,736
b = 8·sin(110°) = 7,518

Rechthoekige vorm

z = −2,736 + j7,518
a = −2,736

Antwoord

a = −2,736
2.Complexe getallen

Antwoord: C (2∠−40°)

De Moivre en wortels: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ. De vergelijking zⁿ = R∠φ heeft precies n wortels, allemaal met modulus R1/n, bij de argumenten (φ + 360°·k)/n voor k = 0, 1, …, n − 1: ze liggen gelijkmatig verdeeld op een cirkel, 360°/n uit elkaar. Een kwadratische vergelijking z² + pz + q = 0 met p² < 4q heeft de complexe wortels z = −p/2 ± j√(q − p²/4); een polynoom met reële coëfficiënten heeft zijn complexe wortels altijd in geconjugeerde paren a ± jb.

Modulus en argumenten van de wortels

|z| = 2
θ = 20°, 80°, 140°, −160°, −100°, −40°

Het punt

C = 2∠−40°

Antwoord

C (2∠−40°)
3.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: C = 50,66 µF

Wisselstroom met fasoren: weerstanden, spoelen en condensatoren hebben impedanties R, jωL en 1/(jωC), met ω = 2πf. In serie tellen impedanties op zoals weerstanden, maar dan als complexe getallen. Effectieve stroom en spanning volgen de wet van Ohm met |Z|.

Resonantievoorwaarde

Bij resonantie heffen de inductieve en capacitieve reactantie elkaar op: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·100 = 628,3 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(628,3²·0,05) = 50,66 µF

Antwoord

C = 50,66 µF
4.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: VL = 35,36 V

Wisselstroom met fasoren: weerstanden, spoelen en condensatoren hebben impedanties R, jωL en 1/(jωC), met ω = 2πf. In serie tellen impedanties op zoals weerstanden, maar dan als complexe getallen. Effectieve stroom en spanning volgen de wet van Ohm met |Z|.

Resonantie

Bij resonantie heffen de reactanties elkaar op, dus de impedantie is gewoon R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,02·1·10⁻⁶) = 7071 rad/s
I = V/R = 5/20 = 0,25 A

Spanning over de spoel

XL = ω₀L = 7071·0,02 = 141,4 Ω
VL = I·XL = 0,25·141,4 = 35,36 V

Antwoord

VL = 35,36 V

Dit is Q = 7,071 keer de voedingsspanning.

5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: Q = 40 kvar

Wisselstroomvermogen: het schijnbaar vermogen S = V·I (VA) splitst zich in werkelijk vermogen P = S·cos φ (W), dat nuttig werk doet, en blindvermogen Q = S·sin φ (var), dat heen en weer gaat tussen bron en belasting. De arbeidsfactor is cos φ. Een condensator parallel levert blindvermogen ter plaatse, dus de lijnstroom daalt bij hetzelfde werkelijk vermogen.

Hoek

φ = arccos(0,6) = 53,13°, tan φ = 1,333

Blindvermogen

Q = P·tan φ = 30·1,333 = 40 kvar

Antwoord

Q = 40 kvar
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: C = 208,1 µF

Wisselstroomvermogen: het schijnbaar vermogen S = V·I (VA) splitst zich in werkelijk vermogen P = S·cos φ (W), dat nuttig werk doet, en blindvermogen Q = S·sin φ (var), dat heen en weer gaat tussen bron en belasting. De arbeidsfactor is cos φ. Een condensator parallel levert blindvermogen ter plaatse, dus de lijnstroom daalt bij hetzelfde werkelijk vermogen.

Blindvermogen voor en na

Het werkelijk vermogen P verandert niet; alleen het blindvermogen uit het net verandert.

Q1 = P·tan φ1 = 5·tan(45,57°) = 5,101 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 5·tan(18,19°) = 1,643 kvar
QC = Q1 − Q2 = 3,458 kvar

Capaciteit

Een condensator over de voeding levert Q = V²·ωC.

C = QC/(2πf·V²) = 3458/(2π·50·230²) = 208,1 µF

Antwoord

C = 208,1 µF
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: WL = 48 nJ

LC-resonantie: een opgeladen condensator die op een spoel is aangesloten drijft een stroom die hem de andere kant op oplaadt: de energie pendelt tussen het elektrische veld van C (½Cv²) en het magnetische veld van L (½Li²) met de eigenfrequentie f0 = 1/(2π√(LC)). Zonder weerstand blijft de totale energie ½CV0² constant, dus de piekstroom is Imax = V0√(C/L). Eén periode is T = 1/f0; de energie gaat in een kwart ervan van C naar L.

Totale energie

½·1 × 10⁻⁹·10² = 5 × 10⁻⁸ J

Energie die in de condensator overblijft

½·1 × 10⁻⁹·2² = 2 × 10⁻⁹ J

Energie in de spoel

WL = 4,8 × 10⁻⁸ J = 48 nJ

Antwoord

WL = 48 nJ
8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: n = 16,09

Q-factor en bandbreedte: in een resonantiekring is Q = 2π·(opgeslagen energie)/(verloren energie per periode). Voor serie-RLC is Q = ω0L/R = (1/R)√(L/C); voor parallel-RLC is Q = R/(ω0L) = R√(C/L). De bandbreedte tussen de halfvermogensfrequenties f1 en f2 (waar het vermogen de helft is en de stroom of spanning 1/√2 van de piekwaarde) is BW = f2 − f1 = f0/Q, dat is R/(2πL) in serie en 1/(2πRC) parallel. De resonantiefrequentie is het meetkundig gemiddelde f0 = √(f1f2), en f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q)). Verliezen laten de trilling ook uitdoven: in serie-RLC neemt de amplitude af als e−Rt/(2L).

Halfwaardetijd van de amplitude

t = 2·1 × 10⁻⁴·ln 2/2 = 6,931 × 10⁻⁵ s

Aantal perioden

n = t·f0 = 6,931 × 10⁻⁵·232151 = 16,09

Antwoord

n = 16,09

Snelle formule: n = Q·ln 2/π met Q = 72,93.

9.Draaistroomvermogen

Antwoord: P = 15,29 kW

Symmetrische draaistroomsystemen: in een Y-schakeling (ster) is de lijnspanning √3 keer de fasespanning, VL = √3·Vph, en is de lijnstroom gelijk aan de fasestroom. In een Δ-schakeling (driehoek) is de lijnspanning gelijk aan de fasespanning en is de lijnstroom √3 keer de fasestroom, IL = √3·Iph. Het totale vermogen is drie keer het vermogen van één fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Fasespanning

Vph = VL = 415 V

Fasestroom

|Z| = √(5² + 12²) = 13 Ω
Iph = 415/13 = 31,92 A

Totaal werkelijk vermogen

Alleen het resistieve deel van elke impedantie neemt werkelijk vermogen op.

P = 3·Iph²·R = 3·31,92²·5 = 15,29 kW

Antwoord

P = 15,29 kW

Controle: cos φ = R/|Z| = 0,3846, en √3·VL·IL·cos φ geeft hetzelfde vermogen.

10.Draaistroomvermogen

Antwoord: Cph = 975,4 µF

Symmetrische draaistroomsystemen: in een Y-schakeling (ster) is de lijnspanning √3 keer de fasespanning, VL = √3·Vph, en is de lijnstroom gelijk aan de fasestroom. In een Δ-schakeling (driehoek) is de lijnspanning gelijk aan de fasespanning en is de lijnstroom √3 keer de fasestroom, IL = √3·Iph. Het totale vermogen is drie keer het vermogen van één fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Arbeidsfactorcompensatie: condensatoren leveren blindvermogen ter plaatse, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Elk van de drie condensatoren levert QC/3 = V²·ω·C, waarbij V de spanning over die condensator is: VL in een driehoeksbank, VL/√3 in een sterbank.

Blindvermogen voor en na

Het werkelijk vermogen verandert niet, dus elke arbeidsfactor legt het blindvermogen vast: Q = P·tan φ.

Q1 = 60·tan(acos 0,7) = 60·1,02 = 61,21 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,98) = 60·0,2031 = 12,18 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 49,03 kvar

Capaciteit per fase

In een sterbank is elke condensator aangesloten tussen een lijn en het sterpunt.

V = 400/√3 = 230,9 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 16343/(314,2·230,9²) = 975,4 µF

Antwoord

Cph = 975,4 µF
11.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: vL = 5,518 V

Eerste-orde schakelverschijnselen: in een schakeling met één condensator of één spoel gaat elke spanning en stroom exponentieel van de beginwaarde naar de eindwaarde: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, met τ = RC of τ = L/R. Na ongeveer 5τ is de schakeling uitgeslingerd.

Tijdconstante en eindstroom

Lang na het sluiten van de schakelaar gedraagt de spoel zich als een kortsluiting, dus de eindstroom wordt alleen door R bepaald.

τ = L/R = 47 mH / 47 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 15/47 = 0,3191 A

Spoelspanning

Op t = 0 staat de hele voedingsspanning over de spoel; daarna neemt die af tot nul.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 15·e−1/1 = 5,518 V

Antwoord

vL = 5,518 V
12.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: R = 27,28 kΩ

Eerste-orde schakelverschijnselen: in een schakeling met één condensator of één spoel gaat elke spanning en stroom exponentieel van de beginwaarde naar de eindwaarde: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, met τ = RC of τ = L/R. Na ongeveer 5τ is de schakeling uitgeslingerd.

Benodigde tijdconstante

3 = 5·(1 − e−250/τ) → τ = 250/ln(5/(5 − 3))
τ = 250/0,9163 = 272,8 ms

Weerstand

kΩ maal µF geeft milliseconden.

R = τ/C = 272,8/10 = 27,28 kΩ

Antwoord

R = 27,28 kΩ
13.Thévenin en Norton

Antwoord: Vth = 4,5 V

Stelling van Thévenin: elk lineair tweepoolnetwerk gedraagt zich als één spanningsbron Vth in serie met een weerstand Rth. De stelling van Norton geeft hetzelfde netwerk als een stroombron IN = Vth/Rth parallel aan Rth.

R1​ = 15 ΩR3​ = 10 ΩKORTSLUITINGR2​15 ΩAabRth​

Vind Rth met alle bronnen uitgeschakeld

Vervang spanningsbronnen door kortsluitingen en stroombronnen door open circuits, en kijk dan vanaf a–b de schakeling in.

R1 ∥ R2 = 15·15/(15+15) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 10 = 17,5 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩAab+−Vth​

Vind Vth, de openklemspanning

Met a–b open loopt er geen stroom door R₃, dus er valt geen spanning over en V_b = V_A. R₁ en R₂ vormen een spanningsdeler.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 9·15/(15+15) = 4,5 V
14.Thévenin en Norton

Antwoord: IL = 0,7626 A

Stelling van Thévenin: elk lineair tweepoolnetwerk gedraagt zich als één spanningsbron Vth in serie met een weerstand Rth. De stelling van Norton geeft hetzelfde netwerk als een stroombron IN = Vth/Rth parallel aan Rth.

R1​ = 25 ΩR3​ = 15 ΩKORTSLUITINGR2​12 ΩAOPENBabRth​

Vind Rth met alle bronnen uitgeschakeld

Vervang spanningsbronnen door kortsluitingen en stroombronnen door open circuits, en kijk dan vanaf a–b de schakeling in.

R1 ∥ R2 = 25·12/(25+12) = 8,108 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,108 + 15 = 23,11 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​12 ΩAIs​1,5 ABab+−Vth​

Vind Vth, de openklemspanning

Met a–b open is het enige pad voor Iₛ via R₃ naar knooppunt A. Vind V_A met superpositie van V₁ en Iₛ, en tel dan de spanningsval over R₃ erbij op.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 5,838 + 1,5·8,108 = 18 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 18 + 1,5·15 = 40,5 V
Rth​ = 23,11 Ω+−Vth​40,5 VRL​30 ΩIL​

Sluit de belasting aan op het Thévenin-equivalent

De Thévenin-bron en R_th in serie gedragen zich bij a–b precies als de oorspronkelijke schakeling, dus de belasting ziet een eenvoudige serielus.

IL = Vth/(Rth + RL) = 40,5/(23,11 + 30) = 0,7626 A
15.Bodediagrammen en marges

Antwoord: |H| = −0,957 dB

Frequentierespons: substitueer s = jω in de overdrachtsfunctie. De grootte in decibel is 20·log₁₀|H(jω)| en de fase is de som van de hoeken van de tellerfactoren min die van de noemerfactoren. Een eerste-orde RC- of RL-filter heeft zijn kantelfrequentie (−3 dB) bij ωc = 1/(RC) of R/L, en fc = ωc/(2π); een laagdoorlaatfilter geeft |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) en φ = −atan(ω/ωc). In het asymptotische (rechte-lijn-)Bodediagram buigt elke pool de grootte met 20 dB/decade omlaag bij zijn kantelfrequentie, buigt elk nulpunt haar met 20 dB/decade omhoog, en geeft een integrator 1/s −20 dB/decade bij alle frequenties. Versterkingsdoorsnijding ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); fasemarge PM = 180° + ∠L(jωc). Faseomslag ω180: ∠L(jω) = −180°; versterkingsmarge GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. De gesloten lus is stabiel als beide marges positief zijn.

Kantelfrequentie

ωc = 1/(RC) = 1/(2200·4,7 × 10⁻⁹) = 96712 rad/s
fc = 15392 Hz → f/fc = 31000/15392 = 2,014

Versterking

|H| = 2,014/√(1 + 2,014²) = 0,8957
20·log₁₀(0,8957) = −0,957 dB

Antwoord

|H| = −0,957 dB
16.Bodediagrammen en marges

Antwoord: K = 331,3

Frequentierespons: substitueer s = jω in de overdrachtsfunctie. De grootte in decibel is 20·log₁₀|H(jω)| en de fase is de som van de hoeken van de tellerfactoren min die van de noemerfactoren. Een eerste-orde RC- of RL-filter heeft zijn kantelfrequentie (−3 dB) bij ωc = 1/(RC) of R/L, en fc = ωc/(2π); een laagdoorlaatfilter geeft |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) en φ = −atan(ω/ωc). In het asymptotische (rechte-lijn-)Bodediagram buigt elke pool de grootte met 20 dB/decade omlaag bij zijn kantelfrequentie, buigt elk nulpunt haar met 20 dB/decade omhoog, en geeft een integrator 1/s −20 dB/decade bij alle frequenties. Versterkingsdoorsnijding ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); fasemarge PM = 180° + ∠L(jωc). Faseomslag ω180: ∠L(jω) = −180°; versterkingsmarge GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. De gesloten lus is stabiel als beide marges positief zijn.

Faseomslag

(ω/4)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(4·9) = 6 rad/s

Grootte bij de faseomslag

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 81)) = K/(4·9·(4 + 9)) = K/468

Vereiste versterking

468/K = 103/20 = 1,413
K = 468/1,413 = 331,3

Antwoord

K = 331,3

ExamProblems · examproblems.com/courses/circuit-analysis-2